基于热交换器的电开水器冷却设计研究

作者/杨俊哲，西北工业大学附属中学

引言

在日常生活中，电开水器是必不可少的常用电器，在学校里更是如此。然而，目前的电开水器仍存在一些缺陷，比如，从电开水器中接出的水通常都是100℃的开水，无法直接饮用，这就给急需饮水的学生带来很大麻烦。因此，可以考虑利用热交换器的基本原理，对现有的电开水器做出改进，保障学生能够直接喝上温度适宜的开水。

目前国内外有不少与热交换器有关的论文，在工业热交换器领域，有关文章的研究点主要集中在对大型热交换器的性能分析、可靠性评估、延长使用寿命的保护措施、制造工艺分析等方面，如王丹铭[1]介绍了热交换器的结构类型、结构特点，并重点介绍了热交换器壳体、管板、法兰、折流板及管子的选材及制造工艺、组装工艺。周振[2]等人发现影响板式热交换器传热性能的主要因素有传热系数K、对数平均温差Δtm、介质的压力降ΔP以及板片的承压能力等。研究了在两个恒定的板间流速下,对高NTU、中NTU和低NTU通道三种板片结构进行组合并进行热工性能试验，软板的数量对板式热交换器的压力降ΔP及传热系数K的影响得到有助于热交换量—流量—允许压降完全匹配的板片组合形式。在日常用热交换器领域，有关文章的研究点主要集中在飞机或汽车空调的改进、新型热交换器的结构、热交换器的模型建立与数值计算等方面，如周庆辉[3]等人利用Fluent软件模拟仿真和正交试验的方法对汽车空调暖风机热交换器的结构进行了优化设计；而有关电开水器的论文，其研究点主要集中在原理、检修、控制系统设计、质量上存在的问题、节能方面的调查与改进等，如魏康[4]等人设计的改进型电开水器从结构上避免高功率电热管一直工作的缺陷，既能不间断供水，又大幅度的降低能耗其特有的三个水箱设计—生水箱、温水箱、开水管,将温度不同的三类水隔离。生水箱保证自来水的供给,温水箱内置电热管将生水加热至中间温度并保温,接水时,温水流入开水管被加热至沸腾；陈荣[5]分析了商用电开水器的耗能特点，通过开水器之间，以及开水器与其他电器之间的对比试验，说明了开水器具有较大节能潜力，并介绍了开水器在能效方面的标准化情况和在这方面亟待完成的工作；师绍猛[6]等人为保证胀接后传热管形变满足技术要求，应对胀管区胀接情况进行检测评估，介绍了非能动余热排出热交换器胀接工艺、胀管评估要求、胀管轮廓涡流检测在检测实际中的应用。

虽然有关热交换器和电开水器的研究颇多，但在对电热水器的改进方面，有关冷却装置的改进关注较少，随着人们生活水平的提高，更加便捷地喝到直饮水是人们关注的问题。本文的研究内容就是设计一个利用热交换器原理的冷却装置，快速冷却电开水器中的开水，减少等待开水冷却的时间，同时这种装置较为简单，成本低廉，能够有效提升生活质量，具有广阔的应用发展前景。

1.设计过程

1.1 确定指标

基于热交换器的电热水器冷却装置冷却指标的确定，主要来源于网络上的资料和测量。开水进口温度为沸水温度100℃。适宜饮用水温度是接近人体体温最合适，考虑到接水后的热量散失，可将开水的出口温度定为50℃。使用温度计测量自来水水温，结果约为15℃。用烧杯测量电开水器在十秒内流出水的体积，可计算出开水流量。综合以上结果，得到指标如下：开水进口温度开水出口温度冷却水进口温度冷却水出口温度开水流量M1= 0.06kg/s。

管壳式热交换器由壳体、管束、管板和封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热的两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程；一种在管外流动,其行程称为壳程，管束的壁面即为传热面。管壳式热交换器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，具有高度可靠性和广泛的适应性。应用到电开水器上简单可靠，因此选用管壳式热交换器作为冷却装置。

1.2 热交换器计算程序

①查得水的比热cp=4.187kj(kg·℃)、密度ρ＝1000kg/m3、黏度，依据指标得出饮用开水与冷却水的定性温度分别为：

②热损失系数Lη取0.98，计算出传热量

冷却水量

逆流时的对数平均温差

温差修正系数ø为0.97，可得出有效平均温差

材料选择碳钢无缝钢管，管程内水的流速2ω选为0.5m/s，由这些数据可计算管程所需流通截面

将内径取为10㎜，外径d0取14㎜，可得每程管数

计算每根管长

④管子按等边三角形排列，一台管子数为8，二台传热面积 F′′= 1.68m2；

⑤验证两台的壳程总阻力在规定范围之内。

1.3 冷却装置的安装与节能

综合考虑电开水器的规格以及安装的简便性，可在电开水器主体外壁悬挂固定该冷却装置，并对开水管路稍作修改，让开水先流过冷却装置，再从水龙头流出。由于这种外部安装方式会造成冷却装置易受磨损，所以应当给冷却装置设计一套保护层，考虑到电开水器一般所处的水房湿度较大，且电开水器温度较高,因此选用价格较低的塑料作为冷却装置的外壳，外壳上应有固定装置，最简便的方法是用螺丝固定于电开水器外壁上。目前的社会发展主流是节能环保，该冷却装置也设计有循环系统以节约能源，基本原理是将热交换器冷却水从出水口再通入电开水器水箱内加热，由于流出的冷却水温度比自来水高，再加热时可节省不少电能，因为冷却水的来源也是自来水，饮用时不会有安全问题。该冷却装置设计指标上冷却水出口温度较进口温度高20℃，每冷却1kg开水需要约2.45kg冷却水，如果将这2.45kg冷却水通入电开水器水箱，则可节省约2.45kg×4.18kJ/(kg·℃)×20℃≈205kJ能量，不考虑电开水器加热时的能量损失，至少可节约205kJ÷300kJ≈0.057度电，冷却17.5kg开水即可节约1度电。学校里大约有4000名学生，按每人每天在校喝1升水，则理论上一天可节约4000×1kg÷17.5kg/度≈229度电，节能效果显而易见。

2.结果与分析

本论文运用管壳式热交换器的计算程序原理，结合电开水器的具体参数，设计出了基于热交换器原理的供电开水器使用的冷却装置。

⑴热交换器具体参数如下：

选用〈1–2〉型管壳式热交换器，2台串联;管子：内径10mm，外径14mm;每程管数：4，每根管长：1.2m;管距：19mm，等边三角形排列;每台换热面积：0.84m2;二台换热面积：1.68m2;壳体内径：50mm;长径比：24;拉杆直径：10mm;一台拉杆数：4;材料：碳钢无缝钢管

达到的冷却指标：可将100℃的开水在短时间内冷却至50℃。

⑵冷却装置的主要材料为碳钢钢管，一台冷却装置需要长为1.2m的钢管8根，根据普通碳钢钢管的市场价，价格约为100元，再考虑螺钉等固定装置，冷却装置成本应不超过150元。

⑶冷却装置充分考虑节能的要求，设计将使用过的冷却水通入电开水器水箱中加热后作为饮用水，该设计可使电开水器每冷却17.5kg开水即可节约1度电，经计算全校一天可节约229度电。

* [1]王丹铭.热交换器的制造工艺[J].机械工程师,2012,03

* [2]周振,宋金虎,张守圣,秦妮,高建广,张微,董艳,薛晋.板式热交换器热混合设计研究[J].当代化工，2016,08

* [3]周庆辉,纪威,王夺.汽车空调暖风机热交换器的优化设计[J].工程设计学报,2010,02

* [4]魏康,肖威,李琳.现有电开水器的改进与节能分析[J].科协论坛,2011,08

* [5]陈荣.商用电开水器的节能分析[J].家电科技,2013,04

* [6]师绍猛,王哲,曹刚,郭韵.非能动余热排出热交换器制造阶段胀管区质量检测[J].压力容器,2015,10